甘薯膳食纤维的生理功能及提取工艺研究进展.pdf

2 0 0 9 年第9 期 中国食物与营养 F o o da n dN u t f i t i o ni nC h i n a N o 0 9 ，2 0 0 9 甘薯膳食纤维的生理功能及提取工艺研究进展 胡鹏1 ，蔡荣宝2 ，邓鹏1 ，杜方岭， ( 山东省农业科学院原子能所，济南2 5 0 10 0 ；2 济南市排水总公司，济南2 5 0 0 5 5 ) 摘要：本文综述了我国甘薯的生产现状以及膳食纤维的生理功能，重点介绍了甘薯膳食纤维的提取方法以及 今后的发展趋势，为甘薯膳食纤维的现代化生产提供技术参考。 关键词：甘薯；膳食纤维；生理功能；提取 我国甘薯的总种植面积占世界甘薯种植面积的 6 8 1 ，产量居世界第一位。研究表明，甘薯的营养价 值很高，还含有大量的纤维素，其含量高达1 2 9 1 0 0 9 ， 是大米的1 2 倍。目前，我国甘薯加工业每年都会产生大 量的薯渣，约占原料总量的1 0 1 4 。薯渣的主要成 分为淀粉和纤维素，其中纤维素的含量在2 5 左右。另 外，甘薯茎叶也是一个非常大的纤维素来源，可以看出 我国甘薯膳食纤维的生产原料非常丰富。积极探索研究 以甘薯渣和废弃茎叶为原料，制备高活性膳食纤维的技 术工艺，并进一步开发研制甘薯膳食纤维功能强化食 品，是一项非常有现实意义的工作，不仅可以提高甘薯 的附加值，增加企业效益，变废为宝，而且可以解决甘 薯加工企业的环境污染问题，为甘薯的综合利用提供更 多的途径，符合国家的可持续发展战略要求。 随着生活水平的不断提高，人们对高热量、高蛋 白、高脂肪食品和精细食品的摄入量大大增加，而摄入 膳食纤维的量日趋减少，从而导致了一系列“富贵病” 的产生。膳食纤维具有调节人体对脂肪等营养物质吸收 的功能，对人体营养平衡具有重要意义。它是一类不能 被人体消化吸收的多糖类碳水化合物和木质素，被分成 水溶性和水不溶性两大类。目前，膳食纤维已经被列入 继水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、维生素之 后，能够调节人生理体机能的“第七大营养素”0 1 。 1 膳食纤维的生理功能 近年来国内外大量的研究结果证明，膳食纤维的生 理功能主要表现在以下几方面：( 1 ) 降低糖尿病患者 的血糖，改善其末梢组织对胰岛素的感受性。( 2 ) 预 防便秘和结肠癌。膳食纤维能改善人体肠道系统的微生 物群构成和代谢，诱导有益好气菌的繁殖。陈培基等 人【2 】研究发现，膳食纤维对人体具有通便作用。( 3 ) 预 防心血管疾病。大量研究表明，膳食纤维能明显降低人 体血浆和肝脏胆固醇水平。实验证实，食用膳食纤维 后，能显著抑制总胆固醇浓度升高、降低胆酸及其盐类 的合成与吸收，从而阻碍中性脂肪和胆固醇的再吸收， 限制了胆酸的肝肠循环，加快脂肪物的排泄，可直接遏 制冠状动脉硬化、胆结石、高血脂、高血压，对预防心 脑血管疾病有重要作用I a J 。( 4 ) 治疗肥胖症。H e a t o n 认为膳食纤维能取代食物中的部分营养素，使食物的 摄入量减少，同时可以减少小肠对脂肪的吸收率。 ( 5 ) 消除外源有害物质。膳食纤维可以清除C d 和硝酸 根，最新研究发现，麦麸膳食纤维对P b 、C d 、H g 和高 浓度的Z n 、C u 都有清除功能。 2 甘薯膳食纤维提取工艺研究 膳食纤维根据其原料的不同及其产品性质的不同， 其分离的方法也有很大的差异。国内外学者对甘薯膳食 纤维的提取做了大量的研究工作，目前提取方法主要有 化学溶剂法、发酵法、酶法、筛法以及膜分离法等。 2 1 化学溶剂法 采用化学试剂提取而制备各种膳食纤维的方法，以 碱法应用较普遍，其工艺流程是原料经过干燥、磨碎、 过筛处理后，加入氢氧化钠、氢氧化钙处理，随后是过 滤处理，过滤所得残渣即为水不溶性膳食纤维，将所得 作者简介：胡鹏( 1 9 8 1 ) ，男，硕士，山东齐河人。主要从事农产品辐照加工与贮藏研究工作。 通讯作者：杜方岭 万方数据 3 2中国食物与营养 滤液的p H 值调为4 0 - 4 5 并离心处理，其沉淀物为蛋白 质，将所得上清液的p H 值调至6 0 - 7 0 并用酒精沉淀， 沉淀物即为水溶性膳食纤维。但此法由于使用了化学试 剂，很容易造成化学残留，存在安全隐患。 2 2 发酵法 2 2 1 柠檬酸发酵法 柠檬酸发酵一般采用糖蜜或淀粉水解糖为原料，在 国内主要以薯干或淀粉生产的副产物薯渣直接发酵生产 柠檬酸。食用真菌，在生物转化方面具有很强的功能， 在发酵过程中通过其自身产生的酶反应，可以将甘薯渣 中的淀粉以及纤维素、半纤维素成分转化为以微生物 多糖、菌体纤维素等为主的更具有活性的膳食纤维 1 4 。使用这种方法提取膳食纤维，可以使资源得到充分 利用。但工艺复杂，控制也较困难。有报道说这种方法 制得的膳食纤维成分较单一，主要是纤维素 3 1 。 2 2 2 药用真菌液态发酵法 以甘薯渣为原料，采用药用真菌液态发酵甘薯渣制 取膳食纤维。在摇床水平，采用甘薯渣9 ，麸皮0 1 8 的培养基，发酵4 d 后发酵液中的膳食纤维含量可达到 2 9 6 3 9 m ；而在1 0 L 发酵罐中，相同的培养条件下，发 酵4 d 后发酵液中的膳食纤维含量可达到2 5 8 1g L ，其中 不溶性膳食纤维1 0 O l g L ，可溶性膳食纤维1 5 8 0 9 L 。 采用此种方法，膳食纤维产量得到较大提高，并且改善 了膳食纤维中可溶膳食纤维与不溶膳食纤维的比例【6 】。 2 3 酶法 为制备极纯净的膳食纤维，常采用酶解的方法，所 用酶包括仅一淀粉酶、蛋白酶等1 7 1 。甘薯提取淀粉后的 副产物薯渣，通过去杂、烘干及粉碎后加水和酶制剂， 使蛋白质和淀粉水解，然后通过超过滤方法进行浓缩， 在浓缩液中加有机溶剂沉淀，其沉淀物干燥、粉碎过筛 即得到水溶性甘薯膳食纤维。超过滤后的沉淀物，经调 质湿热处理，再经压滤、干燥、粉碎过筛，即可得不 溶性甘薯膳食纤维。孙建等采用0 【一淀粉酶、胰蛋白 酶、糖化酶对甘薯渣进行酶解，提取膳食纤维，并对所 得膳食纤维产品的特I 生进行了分析。刘达玉等 9 1 以干薯 渣为原料，采用酶法水解淀粉、蛋白质的提取方法，探 讨了薯渣中提取膳食纤维的工艺条件。陈小琴等利用酶 解法提取甘薯渣中的水溶性膳食纤维，得率达到 7 3 。使用这种方法提取膳食纤维，可获得较高纯度 的产品，但酶制剂的成本较高。 2 4 筛法 筛法是一种依靠颗粒大小不同，提取膳食纤维的物 理方法。我们使用扫描电子显微镜观察薯渣粉，发现淀 粉是以圆球形颗粒被包裹于蜂窝状的膳食纤维内。由于 淀粉颗粒较小，粉碎后，加水调浆筛分有利于小颗粒的 淀粉从纤维状结构中溶出，以达到去除淀粉的目的。使 用这种方法制备膳食纤维首先需要知道要分离的淀粉粒 度分布，然后根据这个粒度选择合适的标准筛。薯渣先 经过一个初筛，以保证被粉碎到一定粒度，再通过一个 孔径大于已知淀粉粒度的次筛，除去淀粉【1 0 】。曹媛媛D I 采用筛法从甘薯中提取膳食纤维，并确定了提取的最佳 工艺；韩俊娟等 1 2 1 利用筛法提取了甘薯膳食纤维，确 立了最佳筛分方式及条件，并开发了甘薯膳食纤维功能 强化食品。但筛法的缺点是提取的膳食纤维纯度不够， 含有少量的淀粉。 2 5 膜分离法 膜分离( M e m b r a n eS e p a r a t i n g ) 是利用天然或人工制 备的具有选择透过性膜，以外界能量或化学位差为推动 力对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提 纯和浓缩的方法。在膜分离过程中，不同溶液不产生相 变可在常温无需加热的条件下对一些共沸物或近沸物进 行分离，尤其对一些热敏性物质或挥发性物质的分离效 果较好。微滤、超滤、纳滤和反渗透等膜分离技术由于 其省能、高效、简单、造价低、易于操作可代替传统的 分离技术( 如精馏、蒸发、萃取、结晶等过程) ，为开发 功能性食品提供了非常有效的加工方法 1 3 - 1 4 1 。 膜分离法应用于制备膳食纤维的报道不多。由于该 法能通过改变膜的分子截留量，可以分离低聚糖和一些 小分子的酸、酶来提取高纯度的膳食纤维，或者是制备 不同分子量的膳食纤维且能实现工业化生产，可以预见 它将是提高不溶性膳食纤维的得率和分离水溶性膳食纤 维最有前途的方法。G y e o n g h o 【1 5 】用液膜研究鱼油中脂 肪酸的分离，研究了不同条件下脂肪酸( F A ) 在液膜中的 传质，连续相中大约8 5 F A 被分离。侯东军等【1 6 1 把植 酸酶处理与超滤法结合起来进行大豆浓缩蛋白生产的研 究，所得膜浓缩大豆蛋白含7 2 5 蛋白质，而且其中的 植酸浓度大大降低。采用超滤法处理豆渣可除去低聚糖 和一些小分子的酸、酶得到纯化的蛋白质，大大提高了 大豆的综合利用价值。 3 展望 目前关于膳食纤维的生理功能已有不少报道，但是 膳食纤维的抗氧化作用和清除自由基的活性作用是否能 进入血液循环对人体生理过程产生影响，膳食纤维的解 万方数据 胡鹏等：甘薯膳食纤维的生理功能及提取工艺研究进展3 3 毒机理，膳食纤维中单糖与醛酸与由它们构成的膳食纤 维生理功能之间确定的关系以及膳食纤维其它一些理化 特性与人体的生理关系等方面都需要进一步的研究。 国内外提取膳食纤维方法以化学法为主，此工艺简 单，投入成本低，但膳食纤维得率低，而且用化学法提 取膳食纤维不可避免会排放大量的污水对环境造成严重 的污染，不符合国家可持续发展战略。因此积极探索采 用较为温和的工艺方法和环保的高新技术提取分离膳食 纤维是今后发展的方向。虽然酶法、膜过滤和发酵法提 取膳食纤维的技术尚不成熟，而且相对于常规的化学法 成本较高，但因其反应条件较为温和，同时对环境的污 染相对较小，将是膳食纤维提取的发展趋势。 参考文献 n 】孙川，刘春霖膳食纤维：第七大营养素中国民航报， 2 0 0 5 ，1 ：1 9 【2 】陈培基，李刘冬，杨贤庆，等海带膳食纤维的功能活 化及其通便作用中国海洋药物，2 0 0 4 ，2 ：5 - 8 【3 】邵继智膳食纤维与肠内营养肠外与肠内营养，1 9 9 6 ， 1 ：5 5 - 7 1 【4 】王旭，禹邦超柠檬酸发酵生产概述高等函授学报， 1 9 9 7 ，2 ：4 4 - 4 8 【5 】T a k h i r oN o d a ，Y a s u h i r oT a k a h a t a C h e m i c a l C o m p o s i t i o no fC e UW a UM a t e r i a lf r o mS w e e tP o - t a t oS t a r c hP r e s i d u e 。s t a r c h s t a r k e ，1 9 9 4 ：2 3 2 - 2 3 6 【6 】邬建国，周帅，张晓昱，等采用药用真菌液态发酵甘薯 渣获得膳食纤维的发酵工艺研究食品发酵与工业，2 0 0 5 ， 7 ：4 2 - 4 4 【7 】王遂，李春贵酶法脱淀粉技术用于玉米膳食纤维制取工 艺的研究哈尔滨师范大学自然科学学报，1 9 9 9 ，3 ：7 3 7 7 【8 】孙健，朱红，张爱君，等酶法提取薯渣膳食纤维及制品 特性研究长江大学学报，2 0 0 8 ，l ：8 8 - 9 2 9 1 刘达玉，左勇酶解法提取薯渣膳食纤维的研究工艺 技术，2 0 0 4 ，5 ：9 0 - 9 2 【1 0 】高睾和则，岩屋南主扫，下野女。扫9 ，等甘薷灏粉。 高度利用【：阴寸弓研究一食物缄雉口) 新规袋造法t 圣 。物理的特性一，鹿呢岛果工棠技衍七7 夕一研究鞭 告，1 9 9 9 ，1 3 ：5 - 8 【ll 】曹媛媛，木泰华筛法提取甘薯膳食纤维的工艺研究工 艺食品工业科技，2 0 0 7 ，7 ：1 3 1 - 1 3 2 1 2 】韩俊娟，木泰华，张柏林甘薯膳食纤维及果胶的提取工 艺研究中国优秀硕士论文，2 0 0 8 【1 3 】G u i z a r dC ，R a m b a u l tD ，U r h i n gD ，e ta 1 D e a s p h a l t i n go fal o n gr e s i d u eu s i n gu l t r a f i l t r a t i o n i n o r g a n i cm e m b r a n e s P r o c e e d i n go ft h eT h i r dI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nI n o r g a n i cM e m b r a n e s W o r c e s t e rM a s s a c h u s e t t s ，1 9 9 4 ：3 4 5 - 3 5 4 1 4 】孙兰萍膜分离技术一食品工业领域的新型分离手段 食品研究与开发，2 0 0 1 ，2 2 ( 4 ) ：2 1 - 2 5 【1 5